Устройство для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в море Российский патент 2024 года по МПК G01V3/08 G01R29/08 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в морской среде.

Электрическое поле электромагнитной волны в морской воде, являющейся проводящей средой, порождает токи проводимости. Последние создают разность потенциалов между двумя точками среды, которая может быть передана на приемное или измерительное устройство электродным датчиком электрического поля, который представляет собой два разнесенных на некоторое расстояние электрода, имеющих электрический контакт с окружающей морской водой. При этом напряженность электрического поля в морской воде определяется как отношение измеренной разности потенциалов к расстоянию между электродами. Известно устройство для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в море, содержащее электродный датчик и блок обработки информации. Датчик имеет два электрода, выполненные в виде проволочных спиралей, навитых на буксируемый за кораблем гибкий кабель (Бернстайн С.Л. и др. Дальняя связь на крайне низких частотах (обзор) // ТИИЭР. - 1974. - Т. 62, №3. - С. 5-30). Напряжение, возникающее между электродами датчика, по кабелю передается на блок обработки информации, осуществляющий усиление, фильтрацию и отображение информации о принятом сигнале. Недостатком известного устройства являются его большие габариты, что создает проблемы при эксплуатации. Для получения требуемой чувствительности расстояние между электродами достигает 300 метров, а общая длина кабельного электродного датчика превышает 1000 м.

Известно также устройство для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в море (патент RU 2813630 C1), содержащее блок обработки информации и датчик, который имеет пару электродов, выполненных в виде идентичных прямоугольных металлических пластин, встроенных заподлицо в плоскую поверхность диэлектрической платформы, передний и задний край электродов параллельны передней кромке диэлектрической платформы. Электроды датчика соединены со входом блока обработки информации. Такое устройство имеет небольшие габариты, но его чувствительность, ограниченная специфическим электродным шумом движения, существенно уступает чувствительности устройства с кабельным электродным датчиком. Как наиболее близкое по технической сущности к заявленному, оно принято за прототип.

Технической задачей, решаемой в заявленном устройстве, является повышение чувствительности путем уменьшения шума движения.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в море, содержащее блок обработки информации и датчик, имеющий первый и второй электроды, выполненные в виде идентичных прямоугольных металлических пластин, встроенных заподлицо в плоскую поверхность диэлектрической платформы, передний и задний край электродов параллельны передней кромке диэлектрической платформы, расстояние от передней кромки платформы до задней границы электродов определяется формулой l≤0,35/V, где расстояние l в метрах, V - скорость буксировки в м/с, введен второй датчик, имеющий третий и четвертый электроды, выполненные в виде идентичных прямоугольных металлических пластин и расположенных по ходу движения перед электродами первого датчика так, что их передний край совпадает с передней кромкой диэлектрической платформы, также в устройство введены первый и второй усилители и блок вычитания, выход которого соединен с блоком обработки информации, а входы подключены к выходам первого и второго усилителей, чьи входы соединены соответственно с первым и вторым электродами первого датчика и третьим и четвертым электродами второго датчика.

Устройство для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в море схематично изображено на фиг.1 и фиг.2 (вид сбоку на датчик). Здесь 1 и 2 - первый и второй электроды, образующие первый датчик, 3 и 4 - третий и четвертый электроды, образующие второй датчик, 5 - диэлектрическая платформа, 6 и 7 - первый и второй усилители, 8 - блок вычитания, 9 - блок обработки информации. Диэлектрическая платформа 5 как и у прототипа имеет форму клина с затупленными концами (фиг.2). В верхнюю по чертежу плоскую поверхность платформы заподлицо встроены одинаковые плоские металлические электроды 1 и 2 в форме прямоугольника. Передние и задние стороны электродов (относительно направления буксировки) параллельны передней кромке диэлектрической платформы 5. Оба электрода расположены на равных расстояниях от передней кромки платформы 5. Электроды 3 и 4 также идентичны и имеют прямоугольную форму. Они заподлицо встроены в плоскую поверхность диэлектрической платформы 5 таким образом, что их передняя по ходу движения граница совпадает с передней кромкой платформы. Электроды 1 и 2 образуют первый электродный датчик, а электроды 3 и 4 - второй электродный датчик. Первый электродный датчик через усилитель 6 соединен с первым входом блока вычитания 8, а второй электродный датчик через регулируемый усилитель 7 соединен со вторым входом блока вычитания 8, выход которого подключен к блоку обработки информации 9.

Устройство работает следующим образом. Платформа 5 буксируется с помощью кабель-троса влево в соответствии с фиг.2 за судном на некоторой глубине от поверхности моря. Электрическая компонента электромагнитной волны, распространяющейся от поверхности моря вниз, создает в морской воде токи проводимости. Разность потенциалов, создаваемая в воде токами проводимости, с помощью электродов первого и второго датчика передается по кабель-тросу на расположенное на борту буксирующего судна приемное устройство, включающее в себя усилители 6,7, блок вычитания 8 и блок обработки и отображения информации 9, где выделяется из помех и измеряется. Пульсации скорости буксировки создают специфическую помеху - электродный шум движения, величина которого превышает все другие компоненты шума и определяет чувствительность датчика. Как показано автором (В.Г. Максименко. Компенсация «шума движения» электродного датчика напряженности электрического поля в морской воде. Измерительная техника, 2019, №1, С. 58-62.), пульсации потенциала электрода, обтекаемого пульсирующим потоком воды, имеют высокую степень корреляции с пульсациями скорости потока, что позволяет осуществить частичную компенсацию «шума движения». В качестве источника компенсирующего напряжения применяются специальные датчики скорости жидкости. Также в работе автора (Максименко В.Г. Шум движения электродного датчика и его связь с пульсациями скорости жидкости. // Радиотехника и электроника. - 2020. - Т. 65, №10. - С.987-993.) показано, что за счет правильного выбора размеров и места расположения электродов датчика на плоской диэлектрической пластине-обтекателе достигается уменьшение шума движения до 10 раз по сравнению с расположением электродов на передней кромке пластины-обтекателя, что и использовано при создании устройства-прототипа. Пульсации скорости потока воды создают на паре электродов, удаленных от передней кромки обтекателя, существенно меньшее напряжение шума движения, чем на паре электродов, расположенных непосредственно вблизи передней кромки. Это же свойство открывает возможность применения второго электродного датчика для получения компенсирующего напряжения. Шумовые напряжения с двух датчиков коррелированы, что позволяет осуществить их частичную компенсацию путем вычитания при уравнивании амплитуд. При среднеквадратических отклонениях шумового напряжения первого и второго датчика σ_x и σ_y и коэффициенте корреляции шумовых напряжений r_xy среднеквадратическое отклонение разности двух шумовых напряжений равно

Однако получение выигрыша в отношении сигнал-шум при этом не очевидно. Если полученное после вычитания напряжение шума больше, чем меньшее из вычитаемых, то такое вычитание не имеет смысла. К тому же при вычитании происходит и частичное вычитание напряжения сигнала. Получить выигрыш в отношении сигнал-шум можно только при высокой степени корреляции шумовых напряжений.

Обозначим напряжение шума движения, снимаемое с электродов 1 и 2 как U_ш. Тогда напряжение шума движения, снимаемое с электродов 3 и 4, расположенных у передней кромки платформы 5, равно kU_ш, где k>1. Напряжение сигнала U_c, снимаемое с первого и второго датчика, одинаково, поскольку одинаково расстояние между электродами 1 и 2 первого датчика и между электродами 3 и 4 второго датчика. После уравнивания амплитуд напряжения шума движения с первого и второго датчика с помощью усилителей 6, 7, (коэффициент усиления усилителя 7 регулируется), напряжения сигнала на выходе усилителей 6,7 тоже отличаются в k раз. Поэтому после вычитания при k=10 получим на выходе блока вычитания напряжение сигнала 0,9KU_с (K - коэффициент усиления усилителя 6). При коэффициенте корреляции 0,9 между напряжением шума с первого и второго датчика после вычитания оно станет меньше в 2,3 раза, то есть равным 0,435 KU_ш. В результате на входе блока обработки информации отношение сигнал-шум повысится примерно в 2 раза. Следует располагать электроды 1 и 3, а также 2 и 4 друг за другом в одном потоке, что повышает коэффициент корреляции между шумовым напряжением первого и второго датчика, следовательно, увеличивает выигрыш в отношении сигнал-шум.

Автором выполнен лабораторный эксперимент, в котором измерялись пульсации потенциала двух электродов, расположенных в одном пульсирующем потоке жидкости. Эксперимент доказал, что измеренный коэффициент корреляции, равный 0,95 в узкой полосе на частоте пульсации скорости жидкости, реально позволяет увеличить отношение сигнал-шум в два раза при приеме узкополосного низкочастотного сигнала. В эксперименте значение k было равно 2,43, однако есть возможность для его увеличения путем увеличения расстояния от передней кромки платформы до передней и задней границы электродов 1 и 2, что увеличивает и отношение сигнал-шум.

Технический результат, достигнутый в заявленном устройстве, заключается в повышении чувствительности в несколько раз за счет уменьшения электродного шума движения датчика.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в морской среде. Сущность: устройство для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в море содержит блок обработки информации, два датчика, расположенные на диэлектрической платформе, первый и второй усилители и блок вычитания. Первый датчик имеет первый и второй электроды, выполненные в виде идентичных прямоугольных металлических пластин, встроенных заподлицо в плоскую поверхность диэлектрической платформы. Передний и задний края электродов параллельны передней кромке диэлектрической платформы. Расстояние от передней кромки платформы до задней границы электродов определяется формулой l≤0,35/V, где расстояние l в метрах, V - скорость буксировки в м/с. Второй датчик имеет третий и четвертый электроды, выполненные в виде идентичных прямоугольных металлических пластин и расположенные по ходу движения перед электродами первого датчика так, что их передний край совпадает с передней кромкой диэлектрической платформы. Выход блока вычитания соединен с блоком обработки информации, а входы подключены к выходам первого и второго усилителей. Входы усилителей соединены соответственно с первым и вторым электродами первого датчика и третьим и четвертым электродами второго датчика. Технический результат: повышение чувствительности за счет уменьшения электродного шума движения датчика. 2 ил.

Устройство для приема и измерения низкочастотного электромагнитного поля в море, содержащее блок обработки информации и датчик, имеющий первый и второй электроды, выполненные в виде идентичных прямоугольных металлических пластин, встроенных заподлицо в плоскую поверхность диэлектрической платформы, передний и задний края электродов параллельны передней кромке диэлектрической платформы, расстояние от передней кромки платформы до задней границы электродов определяется формулой l≤0,35/V, где расстояние l в метрах, V - скорость буксировки в м/с, введен второй датчик, имеющий третий и четвертый электроды, выполненные в виде идентичных прямоугольных металлических пластин и расположенные по ходу движения перед электродами первого датчика так, что их передний край совпадает с передней кромкой диэлектрической платформы, также в устройство введены первый и второй усилители и блок вычитания, выход которого соединен с блоком обработки информации, а входы подключены к выходам первого и второго усилителей, чьи входы соединены соответственно с первым и вторым электродами первого датчика и третьим и четвертым электродами второго датчика.